I. Введение

По мере непрерывного развития науки и технологий интерес человечества к исследованию микромира неуклонно растёт. Сканирующий электронный микроскоп ( Сканирующий электронный микроскоп , сокращённо СЭМ — как передовой инструмент микроанализа Он играет незаменимую и важную роль в научных исследованиях и промышленности. Благодаря таким преимуществам, как высокое разрешение, широкое поле зрения и стереоскопическое изображение, он стал мощным инструментом для множества дисциплин — материаловедения, биологии, физики и других, — способствуя развитию многих областей науки и технологий.

В данной статье будет представлено всестороннее изложение основных принципов работы, конструктивного устройства и уникальных преимуществ сканирующего электронного микроскопа, а также приведены конкретные примеры его применения в различных областях, что позволит читателю глубже ознакомиться с этим высокоточным прибором и расширить представление о микромире.

II. Основные принципы сканирующей электронной микроскопии

Сканирующий электронный микроскоп — это аналитический прибор, который с помощью сфокусированного пучка ускорённых электронов сканирует поверхность образца и регистрирует различные сигналы, возникающие при взаимодействии пучка с образцом, тем самым позволяя получать информацию о морфологии, составе и других характеристиках поверхности образца.

Различные сигналы, возникающие при взаимодействии электронов с образцом

1. Виды сигналов, возникающих при взаимодействии электронного пучка с образцом

При бомбардировке поверхности образца высокоэнергетическим электронным пучком возникают различные сигналы, основными из которых являются:

(1) Вторичные электроны: электроны, вырванные из атомов образца вследствие их возбуждения падающими электронами. , энергия невелика и сосредоточена преимущественно в поверхностном слое образца толщиной несколько нанометров; при этом она чрезвычайно чувствительна к рельефу поверхности образца.

(2) Электроны обратного рассеяния: это электроны, которые после многократного рассеяния внутри образца возвращаются на поверхность и отражаются с неё. , его выход зависит от среднего атомного номера атомов в образце.

(3) Характеристическое рентгеновское излучение: когда энергия падающих электронов достаточно высока , при этом происходит ионизация внутренних электронов атома образца, а при их повторном заполнении более внешними электронами выделяются характерные… Рентгеновское излучение , его энергия зависит от вида атома.

2. Принцип формирования изображения

При сканировании поверхности образца электронным пучком вторичные электроны и обратнорассеянные электроны соответственно детектируются и усиливаются, что позволяет восстановить на экране изображение рельефа образца. При этом изображение, полученное с помощью вторичных электронов, весьма достоверно отражает микрорельеф поверхности образца. ; Рассеянное обратное электронное изображение позволяет выявить различия в атомном номере различных участков образца.

3. Принципы анализа химического состава

Путём анализа признаков Энергетический спектральный анализ рентгеновского излучения , позволяет провести качественный и количественный анализ элементного состава образца. Каждый элемент обладает своими характерными Энергия рентгеновского излучения Положение пика спектра энергии позволяет определить вид элемента, а площадь пика пропорциональна его концентрации.

Схематическое изображение структуры, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа

III. Структура сканирующего электронного микроскопа  

Современный сканирующий электронный микроскоп в основном состоит из следующих основных систем: :

1. Электронно-оптическая система

Включает электронную пушку, электромагнитные линзы и отклоняющие катушки. Электронная пушка генерирует и разгоняет электронный пучок, линзы фокусируют его в тонкий лучевой пятно, а отклоняющие катушки управляют сканированием электронного пучка по поверхности образца.

Сравнение характеристик четырёх типов электронных пушек

2. Система обнаружения и обработки сигналов

Отвечает за сбор и анализ различных сигналов, возникающих при взаимодействии электронного пучка с образцом. Вторичные электроны и обратнорассеянные электроны после обработки детектором и усилителем восстанавливаются на дисплее в виде изображения рельефа. ;Рентгеновский сигнал анализируется спектрометром. , что позволяет получить информацию об элементном составе образца.

3. Вакуумная система

Электронный пучок должен распространяться в условиях высокого вакуума; степень вакуума обычно должна составлять 10^-3~10^-8 Па , чтобы уменьшить потери энергии электронами, снизить загрязнение и продлить срок службы нити накала.  

4. Компьютерная система управления

Встроены функции управления всеми компонентами электронного микроскопа и сбора, обработки данных, что обеспечивает автоматизацию и интеллектуализацию работы с растровым электронным микроскопом.

Электронные сигналы регистрируются с помощью сцинтилляционного счётчика.

IV. Преимущества сканирующего электронного микроскопа

По сравнению с оптическим микроскопом и трансмиссионным электронным микроскопом сканирующий электронный микроскоп во многих аспектах демонстрирует уникальные преимущества. :

1. Большая глубина резкости , сильная трёхмерность

Сканирующий электронный микроскоп, благодаря использованию малого угла поля зрения и длинного фокусного расстояния, при той же разрешающей способности обеспечивает глубину резкости, в десятки‑сотни раз превышающую таковую у оптического микроскопа; получаемое изображение обладает выраженной стереоскопичностью, что способствует наблюдению трёхмерной микроструктуры образца.

2. Подготовка образцов проста

Камера для образцов в сканирующем электронном микроскопе достаточно большая, что позволяет непосредственно размещать твёрдые образцы крупных размеров. Для проводящих образцов достаточно закрепить их на образцовой платформе — и можно приступать к наблюдению. ;Для непроводящих образцов После напыления проводящей плёнки образец также можно наблюдать в обычном режиме, что существенно упрощает процедуру подготовки образцов.

3. Высокое разрешение , непрерывно регулируемое увеличение

Разрешение современных сканирующих электронных микроскопов достигает нанометрового уровня, а их аналитические возможности уже близки к уровню просвечивающих электронных микроскопов. В отличие от оптического микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа, которые обладают фиксированным разрешением, сканирующий электронный микроскоп позволяет непрерывно регулировать увеличение в широком диапазоне, тем самым заполняя пробел в наблюдении между этими двумя типами приборов.

4. Высокие навыки комплексного анализа

Помимо получения изображений морфологии, сканирующий электронный микроскоп также может использоваться с помощью энергодисперсионного спектрометра, С помощью таких методов, как EBSD, получают сведения об элементном составе и кристаллической структуре образцов. Кроме того В условиях специальных внешних полей, таких как нагревание и растяжение, возможны in situ‑наблюдения и анализ в реальном времени; при этом аналитические возможности чрезвычайно высоки.

V. Примеры применения сканирующего электронного микроскопа

Сканирующий электронный микроскоп, обладая перечисленными выше многочисленными преимуществами, играет важную роль во многих научных дисциплинах:

1. Область материаловедения

(1) Исследование наноматериалов

Можно непосредственно наблюдать морфологию наноматериалов, распределение их размеров и степень однородности; в сочетании со спектральным анализом также можно определить их химический состав, как показано на рисунке. Как показано на рис. 1, это имеет важное значение для изучения свойств наноматериалов, а также для регулирования и оптимизации технологических процессов их получения.

(2) Анализ металлических и керамических материалов

Можно для металла /Проводится наблюдение и анализ микроструктуры керамических материалов, ориентации кристаллов, дефектов, морфологии излома и т. п. Например , изображение 2 демонстрирует уникальную структуру «звёздного кольца» на поверхности металлокерамики. Путём анализа излома , может раскрыть металлы /Механизм разрушения керамических материалов.

Примеры применения настольных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании ZEPTOOLS

2. Область биологии

Сканирующий электронный микроскоп является важным инструментом биологических исследований и позволяет изучать микроскопическую морфологию клеток, бактерий, вирусов и других биологических образцов в различных состояниях. Рис. 3 демонстрирует тонкую структуру чешуек крыльев бабочки , а также детали отростков нервных клеток.

Кроме того, при обработке биологических образцов методами крио‑разрыва и напыления можно выявить их внутреннюю структуру и проводить in situ‑наблюдения с помощью сканирующего электронного микроскопа, что предоставляет эффективные средства для углублённого изучения внутреннего строения живых организмов.

3. Другие области

(1) Археология: метод спектрального анализа состава Это позволяет проводить неразрушающую идентификацию древних культурных ценностей и анализировать технологии их изготовления, что служит основой для разработки рекомендаций по сохранению и реставрации памятников культуры.

(2) Геология и минералогия: позволяет изучать микроструктуру и состав минеральных материалов. , анализ условий образования месторождений и эволюции металлогенической среды.

(3) Микроэлектронная промышленность: в процессе производства микросхем Можно использовать сканирующий электронный микроскоп для выявления дефектов и распределения примесей, а также для совершенствования технологического процесса.

(4) Уголовное расследование: возможно проведение экспертизы и анализа морфологии и состава остаточных следов на месте преступления, таких как места стрельбы и взрывов. , предоставляя зацепки для раскрытия дела.

VI. Заключение

Сканирующий электронный микроскоп, обладая такими преимуществами, как высокое разрешение, широкое поле зрения, стереоскопическое изображение и выдающиеся аналитические возможности, стал незаменимым прецизионным прибором в научных исследованиях и промышленности. По мере непрерывного развития технологий характеристики сканирующих электронных микроскопов будут становиться ещё более совершенными, а сфера их применения — неуклонно расширяться, внося всё больший вклад в глубокое познание тайн микромира. Остаётся лишь ждать: сканирующий электронный микроскоп непременно впишет новую главу в историю научно‑технического прогресса и развития человеческой цивилизации.

Термостат ZEM серии настольных сканирующих электронных микроскопов

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, привлекли широкое внимание как на внутреннем, так и на международном рынках, заполнив многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑измерительных приборов.